Інформація для вчителів
Застосування
Цей дослід уводить в основи електролізу з особливим наголосом на енергетичному балансі. При цьому досліджують виділення міді з розчину купрум сульфату на мідних електродах. Силу струму й напругу при цьому точно реєструють і використовують для обчислення споживання енергії, так що зв'язок між витраченою електричною енергією і масою виділеної міді можна простежити кількісно. Завдяки цьому можна надійно визначити як потребу в енергії на грам міді, так і втрати в реальній роботі - прямим порівнянням із теоретичними значеннями.
Інша інформація для вчителя (1/5)
Попередні знання
Учні мають уже бути обізнані з принципом електролізу. Так само вони мають уже бути обізнані з перенесенням заряду, силою струму, а також провідністю. Крім того, вони мають уже мати теоретичні базові знання про закони Фарадея.
Принцип
При електролізі розчину купрум сульфату з мідними електродами електричний струм виділяє мідь на катоді. Учениці й учні виконують електроліз із двома різними джерелами напруги протягом двох визначених проміжків часу й безперервно реєструють при цьому силу струму, напругу й підведену енергію. За змінами маси електродів вони досліджують зв'язок між кількістю виділеної речовини, кількістю заряду й підведеною енергією і порівнюють експериментальні результати з теоретичними значеннями, щоб обговорити можливі втрати енергії.
Інша інформація для вчителя (2/5)
Навчальна мета
Учні розуміють принцип електролізу й можуть пояснити зв'язок між протіканням струму й перетворенням речовини. Крім того, вони експериментально знайомляться з 1-м законом Фарадея й доводять його правильність. Понад те, вони усвідомлюють, як різні сили струму впливають на споживання енергії та ефективність електролізу.
Завдання
Учні виконують електроліз протягом двох різних проміжків часу (5 і 10 хвилин) і щоразу з двома різними джерелами напруги й безперервно реєструють при цьому силу струму й напругу за допомогою давача Cobra SMARTsense Energy. Зважуванням електродів вони доводять 1-й закон Фарадея. Крім того, вони обчислюють теоретичну потребу в енергії для виділення міді й зіставляють її з виміряним споживанням енергії.
Інша інформація для вчителя (3/5)
Електроліз - це окисно-відновна реакція, примусово спричинена електричним струмом. На позитивному електроді (аноді) відбувається окиснення атомів міді до йонів міді, унаслідок чого анод відповідно розчиняється:
Тим часом на негативному електроді (катоді)йони міді знову відновлюються до елементарної міді, і металічна мідь виділяється:
Якщо джерело напруги (напр. батарею) вимкнути, дрібнодисперсна мідь легко відшаровується від катода. Тому для визначення кількості перетвореної речовини наближено беруть різницю мас анода.
Електроліз виконують для двох різних часів реакції (5 і 10 хвилин)щоразу з двома різними джерелами напруги ( і ). Щоб заощадити час, доцільно для кожного вимірювання використовувати нові мідні електроди, бо очищення вже використаних електродів трудомістке.
Інша інформація для вчителя (4/5)
Перетворення речовини описується законами Фарадея для електролізу. Виділена маса пропорційна перенесеному електричному заряду :
де - молярна маса, - число електронів (), а - стала Фарадея. Оскільки , виникає прямий зв'язок між кількістю виділеної речовини й протіканням струму. Електрична енергія визначається як . Давачем Cobra SMARTsense Energy можна безпосередньо реєструвати напругу, силу струму й енергію, завдяки чому реальні енергетичні залежності можна аналізувати в реальному часі. Теоретичну потребу в енергії на грам виділеної міді можна вивести з поєднання закону Фарадея й напруги комірки. На практиці фактично потрібна енергія здебільшого вища за теоретичне мінімальне значення, бо виникають перенапруги, омічні втрати (внутрішні опори), контактні опори, а також побічні реакції. Ця різниця є ключовою для розуміння енергетичної ефективності електрохімічних процесів і технічного значення методів електролізу.
Інша інформація для вчителя (5/5)
Опційно: Щоб краще унаочнити теплові ефекти від електричних втрат (наприклад, омічне нагрівання), зміну температури під час досліду можна реєструвати давачем Cobra SMARTsense Temperature. Завдяки цьому енергетичний баланс електролізу можна краще оцінити й проаналізувати ближче до реальності.
Розчини можна приготувати спільно на всіх, щоб заощадити хімічні реактиви!
- Розчин купрум сульфату : додай купрум сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
За такого розміру наважки можна використати мензурку на . Її ви знайдете в інтернет-крамниці PHYWE.
Правила безпеки
- Для цього досліду діють загальні вказівки щодо безпечного експериментування на уроках природничих наук.
- Під час досліду всі присутні в приміщенні особи мають носити захисні окуляри!
- Щодо H- і P-фраз звертайтеся до паспорта безпеки відповідної хімічної речовини.
Інформація для учнів
Мотивація
Електроліз відіграє важливу роль у багатьох технічних застосуваннях, результати яких трапляються вам у повсякденні, наприклад монети, які виготовляють гальванічним покриттям, або анодовані алюмінієві поверхні на побутових предметах. Акумулятори й батареї, якими ви користуєтесь щодня, теж ґрунтуються на подібних електрохімічних принципах.
У цьому досліді досліджують, скільки електричної енергії справді потрібно, щоб добути метал на кшталт міді з йонів міді. Завдяки цьому стає видно, наскільки тісно пов'язані між собою споживання енергії, техніка й ощадливе використання ресурсів.
Завдання
- Збери електролізну установку.
- Зваж використані мідні електроди до й після (аналітичні ваги!) і занотуй свої спостереження.
- Виконай електролізи з двома різними часами реакції (5 і 10 хвилин) із батареєю і протягом 10 хвилин із батареєю як джерелом напруги.
- Виміряй при цьому за допомогою давача Cobra SMARTsense Energy силу струму, напругу й підведену кількість енергії та порівняй серії вимірювань між собою.
- Обчисли теоретичну потребу в енергії на грам виділеної міді й порівняй її з експериментальною потребою в енергії.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense Energy - датчик для вимірювання електричного струму і напруги ± 15 В / ± 5 А (Bluetooth + USB) | 12919-01 | 1 |
| 2 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 250 мм, червоний | 07355-01 | 1 |
| 3 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 250 мм, синій | 07355-04 | 1 |
| 4 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, червоний | 07356-01 | 1 |
| 5 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, синій | 07356-04 | 1 |
| 6 | Мідний електрод, 76x40 мм | 45212-00 | 2 |
| 7 | Ванночка, рифлена, без кришки, 90 x 74 x 43 мм | 34568-01 | 1 |
| 8 | Плоска батарея, 4,5 В, 3R 12 DIN 40869 | 07496-01 | 1 |
| 9 | Затискач «крокодил», ізольований, чорний, 4 мм, 10 шт. | 07276-15 | 1 |
| 10 | Купрум (ІІ) сульфат-5-гідрат | 30126-25 | 1 |
| 11 | Вода, демінералізована, чиста, 10000 мл | CHE-882041145 | 1 |
| 12 | Захисні окуляри, прозорі | 39316-00 | 1 |
| 13 | Сірчана кислота, 0,5 моль, 1000 мл | 48462-70 | 1 |
| 14 | Батарейка 9 В 6F22 (IEC-тип) | 07405-00 | 1 |
Складання (1/5)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/5)
Розчини можна приготувати спільно на всіх, щоб заощадити хімічні реактиви!
- Розчин купрум сульфату : додай купрум сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
Складання (3/5)
- Роздивись обидва мідні електроди: якщо метал окиснився під час зберігання, скористайся шматком наждачного паперу, щоб зняти оксидний шар.
- Зваж обидва електроди й занотуй початкову масу.
- Приготуй електроліт: налий для цього близько розчину купрум сульфату, а потім сірчаної кислоти у рифлену ванночку.
- Розмісти мідні електроди в рифленій ванночці так, щоб вони не торкались одне одного (див. рисунок).
Складання (4/5)
Тепер збери електролізну установку так, як показано на рисунку праворуч.
- З'єднай обидва мідні електроди за допомогою двох затискачів «крокодил» і двох з'єднувальних кабелів з виходом Load давача Cobra SMARTsense Energy.
- Після цього встав ще два з'єднувальні кабелі у вхід Source давача Cobra SMARTsense Energy і на їхньому вільному кінці так само закріпи затискач «крокодил».
Затискачі «крокодил» поки що нез'єднуй із батареєю.
Обидва електроди в розчині купрум сульфату не повинні торкатись одне одного, бо інакше виникне коротке замикання.
Складання (5/5)
Зважай на кольори з'єднувальних кабелів між електролізною ванною й батареєю через давач Cobra SMARTsense Energy:
- Червоний кабель з'єднує плюсовий полюс джерела напруги з мідним електродом, який слугує анодом (+).
- Синій кабель з'єднує мінусовий полюс із другим мідним електродом - катодом (−).
- Давач Cobra SMARTsense Energy під'єднують між джерелом напруги й електролізною коміркою, щоб під час досліду можна було реєструвати силу струму, напругу й енергію.
Виконання (1/4)
Під'єднання давача Cobra SMARTsense Energy
- Запусти PHYWE measureAPP на мобільному пристрої.
- Натисни на давачі приблизно на 3 секунди кнопку «Пуск».
- Під'єднай давач, торкнувшись поряд з описом давача в measureAPP.
- Вибери для режиму вимірювання «Миттєве значення».
Виконання (2/4)
Виконання (2/4) Опційно
Під'єднання давача Cobra SMARTsense Temperature
- Запусти PHYWE measureAPP на мобільному пристрої.
- Натисни на давачі приблизно на 3 секунди кнопку «Пуск».
- Під'єднай давач, торкнувшись поряд з описом давача в measureAPP.
- Налаштуй показ виміряних значень, торкнувшись над діаграмою.
Виконання (3/4)
- Тепер приєднай затискачі «крокодил» до батареї. Синє (мінусовий полюс) завжди до синього (чорного), а червоне (плюсовий полюс) - завжди до червоного!
- Стеж за тим, щоб занотувати, який електрод, тобто яка мідна пластина, приєднаний до плюсового, а який - до мінусового полюса батареї. Якщо піднімаються пари, не вдихай їх!
- Дай електролізу йти 5 хвилин і спостерігай за перебігом кривих сили струму й напруги в PHYWE MeasureApp
- Опційно: виміряй температуру розчину купрум сульфату давачем SMARTsense Temperature до й після електролізу.
Виконання (4/4)
- Заверши електроліз, від'єднавши батарею, і збережи вимірювання в PHYWE measureApp
- Обережно обмий електроди знесоленою водою, висуши й зваж їх. Занотуй масу.
Оскільки виділена на катоді мідь може легко відшаровуватися від електрода, для кількісного опрацювання використовують різницю мас анода.
- Продовж електроліз ще на 10 хвилин і потім повтори перші два кроки.
- Повтори електроліз ще раз протягом 5 і 10 хвилин разом із першими двома кроками з батареєюяк джерелом напруги.
Протокол
Опрацювання результатів (1/2)
- Визнач із різниць мас анода кількості виділеної міді для кожного з чотирьох процесів електролізу.
- Обчисли підведену енергію на грам виділеної міді і порівняй значення для двох різних джерел напруги.
- Обчисли за допомогою закону Фарадея теоретичну підведену енергію на грам виділеної міді . Скористайся для цього таким виразом:
де - напруга, - молярна маса (), - число електронів (), а - стала Фарадея (). Підстав для напруги середнє значення своєї серії вимірювань. Щоб показати середні значення різних вимірювальних каналів, натисни кнопку
Опрацювання результатів (2/2)
- Порівняйте теоретичні значення зі своїми експериментальними виміряними значеннями й обговоріть можливі причини відхилень.
Опційно: врахуйте при цьому виміряні зміни температури до й після електролізу.
- Обговоріть до того ж можливі причини перебігу кривих сили струму й значень напруги.
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Питання